Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) представляет собой электрическую машину, в которой ротор вращается с частотой, отличной от частоты вращения магнитного поля статора (скольжением). Конструктивная простота, высокая надежность, низкая стоимость и минимальные эксплуатационные расходы обусловили его доминирующее положение в мировой промышленности. На его долю приходится более 80% всех используемых электродвигателей.
Работа АДКЗ основана на явлении электромагнитной индукции и взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с током, индуцированным в обмотке ротора. При подаче трехфазного переменного напряжения на обмотки статора создается вращающееся магнитное поле. Это поле, пересекая проводники обмотки ротора, наводит в них электродвижущую силу (ЭДС). Поскольку обмотка ротора замкнута накоротко, под действием ЭДС в ней возникает ток. Взаимодействие тока в роторе с магнитным полем статора создает электромагнитную силу, приводящую ротор во вращение в направлении движения поля. Ключевым параметром является скольжение (s), определяемое по формуле: s = (n1 — n2) / n1, где n1 – синхронная частота вращения поля (об/мин), n2 – частота вращения ротора (об/мин). Скольжение обычно составляет 1-8% в номинальном режиме.
Конструктивно АДКЗ состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором.
Статор включает в себя корпус, сердечник и трехфазную обмотку. Сердечник набирается из изолированных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи и запрессовывается в литой или сварной корпус. В корпусе предусмотрены лапы или фланец для крепления, коробка выводов для подключения к сети и ребра для улучшения охлаждения. Обмотка выполняется из изолированного медного или алюминиевого провода, уложенного в пазы сердечника. Схема соединения обмоток – «звезда» или «треугольник» – позволяет адаптировать двигатель к разным номинальным напряжениям.
Ротор состоит из вала, сердечника и короткозамкнутой обмотки («беличьего колеса»). Сердечник также шихтован из стали. Обмотка представляет собой систему неизолированных проводников (стержней), размещенных в пазах и замкнутых с двух сторон торцевыми кольцами. Традиционно для двигателей малой и средней мощности обмотка изготавливается путем заливки расплавленного алюминия под давлением в пазы ротора, при этом стержни, торцевые кольца и вентиляционные лопатки формируются как единое целое. В двигателях большой мощности применяются медные стержни, которые впаиваются в медные же короткозамыкающие кольца.
АДКЗ классифицируются по ряду признаков:
Важнейшими для выбора и эксплуатации являются механическая характеристика n2(M) и рабочие характеристики I1, P1, cos φ, η, s = f(P2).
Характеристика является жесткой: при изменении момента нагрузки от холостого хода до номинального частота вращения снижается незначительно (на величину номинального скольжения). Критический (максимальный) момент Mкр определяет перегрузочную способность двигателя. Пусковой момент Mп характеризует способность двигателя к запуску под нагрузкой.
| Параметр | Обозначение | Типичное значение/диапазон |
|---|---|---|
| Перегрузочная способность | Mкр / Mном | 1.7 – 3.0 |
| Кратность пускового момента | Mп / Mном | 1.0 – 2.2 |
| Кратность пускового тока | Iп / Iном | 5 – 8 |
| КПД в номинальном режиме (зависит от мощности) | η | 75% (0.75 кВт) – 97% (200 кВт и выше) |
| Коэффициент мощности в номинальном режиме | cos φ | 0.7 – 0.9 |
С увеличением полезной мощности P2 ток статора I1 и потребляемая мощность P1 растут почти линейно. КПД (η) и cos φ имеют максимум при нагрузке, близкой к номинальной (75-100%), и резко снижаются при недогрузке. Это обстоятельство критически важно для энергосбережения: эксплуатация двигателей при низкой загрузке (менее 40%) экономически нецелесообразна.
Основной проблемой прямого пуска АДКЗ является высокий пусковой ток (Iп). Для его ограничения применяют:
Естественная характеристика АДКЗ не позволяет эффективно регулировать скорость только изменением напряжения. Основные методы регулирования скорости: изменение частоты питающего тока (частотное регулирование), изменение числа пар полюсов (многоскоростные двигатели), введение добавочных сопротивлений в цепь ротора (для двигателей с фазным ротором, не для АДКЗ).
АДКЗ применяются повсеместно: привод насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров, станков, подъемно-транспортного оборудования, бытовой техники. Критерии выбора включают:
Повышение класса энергоэффективности достигается за счет использования качественных электротехнических сталей с низкими удельными потерями, оптимизации геометрии пазов и воздушного зазора, применения медных обмоток, улучшения систем охлаждения и снижения механических потерь. Эксплуатация двигателей класса IE3 и IE4, особенно в продолжительном режиме работы, обеспечивает быструю окупаемость за счет снижения затрат на электроэнергию. Важным аспектом эксплуатации является контроль состояния изоляции, подшипниковых узлов, вибрации и температуры.
АДКЗ имеет простую, надежную и дешевую конструкцию ротора, но ограниченные пусковые характеристики (высокий пусковой ток, небольшой пусковой момент). Двигатель с фазным ротором (АДФР) имеет трехфазную обмотку на роторе, выведенную на контактные кольца. Пуск и регулирование скорости осуществляются путем введения резисторов в цепь ротора, что улучшает пусковые свойства, но усложняет и удорожает конструкцию, снижает надежность. АДФР применяются в тяжелых условиях пуска (краны, мельницы), но вытесняются комбинацией АДКЗ с современными УПП и ПЧ.
Схема определяется паспортными данными двигателя и сетевым напряжением. На корпусе или в паспорте указаны два напряжения, например, Δ/Y 220/380 В. Это означает, что при линейном напряжении сети 380 В обмотки должны быть соединены в «звезду» (Y), а при 220 В – в «треугольник» (Δ). Неправильное соединение (например, включение в «треугольник» при 380 В) приведет к мгновенному выходу двигателя из строя из-за перегрева обмоток.
Основные причины перегрева: перегрузка по току (механическая перегрузка, заклинивание вала), несимметрия или понижение напряжения питающей сети, обрыв одной из фаз («обрыв фазы»), частые пуски, плохое охлаждение (загрязнение вентиляционных каналов, высокая ambient-температура), износ или недостаток смазки в подшипниках, межвитковое замыкание в обмотках статора.
Преобразователь частоты обеспечивает: 1) Плавный пуск с ограничением пускового тока до уровня номинального. 2) Широкое и экономичное регулирование скорости вращения. 3) Значительную экономию электроэнергии в насосных и вентиляторных установках за счет работы с оптимальной скоростью. 4) Управление моментом и позиционирование (в векторном режиме). 5) Защиту двигателя от перегрузок, перегрева, обрыва фаз.
Класс изоляции (по ГОСТ, МЭК 60085) определяет предельно допустимую температуру стойкости изоляционных материалов обмотки. Основные классы: B (130°C), F (155°C), H (180°C). Фактическая температура обмотки складывается из температуры окружающей среды и перегрева. Двигатель проектируется так, чтобы при работе в номинальном режиме температура обмотки не превышала предельную для данного класса. Использование изоляции более высокого класса (F вместо B) повышает запас по тепловой стойкости и ресурс двигателя.
Точное определение мощности без паспортных данных сложно. Приблизительную оценку можно получить косвенными методами: 1) Измерение габаритных размеров и сравнение с каталогами аналогичных двигателей. 2) Измерение потребляемого тока при известной механической нагрузке и расчет по формуле P = √3 U I cos φ η, однако cos φ и η неизвестны. 3) Наиболее надежный способ – проведение нагрузочных испытаний на специальном стенде с измерением выходного момента и частоты вращения.